Исследователи из Гарвардской медицинской школы разработали систему искусственного интеллекта под названием CURBD (Current-Based Decomposition). Она позволяет впервые увидеть, как разные области мозга взаимодействуют друг с другом. Инструмент анализирует записи нейронной активности и определяет, какая область направляет другие и насколько сильно.
Ни одна область мозга не работает сама по себе. Все они постоянно посылают друг другу сигналы. CURBD позволяет нам увидеть эти взаимодействия, как никогда раньше.
Большинство существующих методов, включая современные системы на основе ИИ, позволяют определить, какие участки мозга активны, насколько сильно они активны и какие типы нейронов формируют тот или иной сигнал. Однако они не показывают, что именно заставило нейроны работать таким образом и как активность одного участка влияет на другие области мозга.
Новый метод CURBD призван восполнить этот пробел. Он работает в обратном направлении: анализирует уже записанную активность нейронов и пытается определить, какие сигналы из других областей мозга заставили их активироваться.
Для этого исследователи разработали вычислительную систему, которая обучает рекуррентную нейронную сеть воспроизводить реальные паттерны электрической активности мозга. Когда модель начинает достаточно точно имитировать работу мозга, CURBD анализирует ее внутренние связи. Это позволяет определить, какие области мозга передавали сигналы друг другу, насколько сильными были эти сигналы и когда именно они поступали. Таким образом, исследователи получают возможность восстановить не только картину активности мозга, но и направление взаимодействий между его участками.
Что метод показал при депрессии
Чтобы проверить CURBD, ученые проанализировали записи активности мозга мышей, обезьян и людей, полученные во время разных поведенческих состояний и заболеваний. В ряде случаев это были данные, которые ранее собирали совсем для других исследований. Один из экспериментов был посвящен депрессии. Исследователи использовали распространенную модель «выученной беспомощности»: после воздействия неизбежного стресса животные постепенно переставали двигаться.
Ученые давно предполагали, что такое состояние возникает из-за передачи сигналов от области мозга под названием хабенула к ядрам шва, которые связаны с выделением серотонина. CURBD подтвердил эту часть механизма, но обнаружил и другой процесс. По мере того как животные становились пассивными, телэнцефалон — крупная структура, включающая кору и связанные с ней области, — постепенно усиливал влияние на хабенулу. Причем это происходило не через один узкий путь, а сразу по распределенной сети областей мозга.
Таким образом, механизм, связанный с депрессивноподобным состоянием, оказался гораздо сложнее простой цепочки передачи сигнала. По словам исследователей, они ожидали найти своего рода «выключатель», но вместо этого обнаружили сложную распределенную систему.
Эти результаты могут помочь лучше понять действие методов лечения тяжелой депрессии, включая кетамин и глубокую стимуляцию мозга. Сейчас команда Раджан сравнивает выявленные с помощью CURBD цепи с активностью мозга после введения кетамина, чтобы выяснить, какие изменения происходят в нейронных сетях при успешном лечении.
Как мозг извлекает воспоминания
В другом эксперименте ученые проанализировали записи мозга людей с эпилепсией, которым были имплантированы электроды сразу в несколько областей мозга. CURBD показал, что воспоминание знакомого события в основном запускается сигналами от лобной коры к гиппокампу и миндалине — структурам, играющим важную роль в работе памяти. При появлении нового изображения, напротив, активность одновременно охватывала всю исследованную сеть.
Понимание того, какие области мозга управляют активностью других во время воспоминаний, может оказаться полезным для изучения заболеваний, связанных с нарушением памяти, в том числе болезни Альцгеймера.
Исследователи отмечают, что CURBD давал сходный результат в экспериментах на разных видах и при совершенно разных задачах — от реакции животных на стресс до извлечения воспоминаний у людей. Это усиливает предположение, что метод позволяет выявлять фундаментальные принципы взаимодействия между областями мозга.
Метод можно применять к уже собранным данным
Одно из преимуществ CURBD в том, что для его работы не обязательно проводить новые эксперименты. Метод можно применять к уже существующим записям активности мозга, собранным исследовательскими группами по всему миру.
В частности, человеческие данные в этой работе первоначально собирались для другой цели — картирования эпилептических приступов у пациентов, которым предстояла оценка перед операцией. CURBD позволил извлечь из этих записей новую информацию о работе мозга без дополнительного участия пациентов.
Исследователи сделали программный код CURBD доступным бесплатно. Они надеются, что метод станет своеобразным связующим звеном между нейронаукой и медициной и позволит сравнивать механизмы разных заболеваний. В перспективе авторы хотят с помощью CURBD найти общие принципы работы мозга, которые сохраняются у разных видов, при разных заболеваниях и на разных уровнях организации нервной системы.
Ранее мы писали, почему любознательность не улучшает работу мозга.